无人机快递服务系统构建和技术优化研究

王 琰

(福建商学院 经济贸易系，福州 350012)

无人机快递服务系统构建和技术优化研究

王 琰

(福建商学院 经济贸易系，福州 350012)

构建无人机快递服务系统能够推动无人机在快递服务业的规模化应用。研究认为，通过建设快递保障系统、飞行控制系统和第三方民航监管部门管理平台来构建无人机快递服务系统。从续航能力、卫星信号失锁和通信信号干扰、防水和防强气流等能力不高、定位精度、电子导航系统数据更新滞后等方面提出优化无人机快递服务系统相关技术从而提升系统快递服务能力的对策，分析了技术优化对无人机快递运营成本的影响。

快递无人机；无人机快递服务；快递保障系统；监管；技术优化

国家邮政局公布的行业统计信息显示，2016年上半年，全国快递服务企业业务量累计完成132.5亿件，同比增长56.7%，接近2014年全年水平(139.6亿件)。然而，在快递业务量高速增长的同时，服务质量却令人堪忧。2014年1月至2016年6月，每月各级邮政管理局受理的申诉件中，涉及快递服务问题占总申诉量的95%以上。各大快递企业一直致力于探索如何在降低成本的同时还能保证服务的质量，满足客户需求。

无人机快递的规模化能有效应对快递订单量的巨额增长，提升快递的投递效率和服务质量，降低快件的延误率、损毁率、丢失率以及快递投诉率，同时还能降低运营成本、仓库成本、人力成本等，提升行业竞争力，使快递的投送更加安全、可靠、快捷。然而，无人机快递服务还处于研发、实验、内测和小范围应用阶段，快递服务领域还没建立起真正意义上的无人机系统，无法实现较为完善的快递服务功能和对快递无人机的有效监管。要推广无人机在快递业的应用，实现规模化，必须构建快递服务领域的无人机系统，即构建无人机快递服务系统。

1 无人机快递服务系统的体系构建

无人机(unmanned aerial vehicle, UAV) 是指利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。目前，无人机技术正得到世界各国生产者和研究者的青睐，在抢险救灾分析与灾后救援、电力巡检、航空摄影、遥感探矿、环境监测以及公安执法等领域有着广泛的应用，这些领域基本已建立起了较为成熟的无人机系统。无人机系统(unmanned aerial system, UAS)是一套综合的技术支撑系统，它是对UAV概念的扩展，它由机体、机上载荷和地面设备等组成，实现其飞行、操控、数据处理和信息传导等功能[1]。

要建立快递服务领域真正意义上的无人机系统，可根据其它领域的无人机系统结构，结合快递服务的特点和民航监管部门监督管理的需求，通过建立快递保障系统、飞行控制系统和第三方(民航监管部门)管理平台三大子系统来完成，如图1所示。

构建快递保障系统是通过配备相应的物流功能单元以完成无人机快递服务任务，可分为机载部分和地面部分。除了机载部分和地面部分均配有常规的物流信息系统外，在无人机快递保障系统的地面部分还需通过建设无人机动力快速补充站、无人机快递配送收发站或专用智能快递柜来实现和完善无人机快递的服务功能。当前，无人机快递配送收发站还处于内测和小范围使用阶段，无人机动力快速补充站和专用智能快递柜理论上和实践上都还没有正式进入人们的视野。

图1 无人机快递服务系统体系构建图

飞行控制系统是实现无人机精确定位、安全运行和合理调度的有机集合体[2]，由于其它领域无人机系统内部均有该子系统，该子系统的构建所需组成部分与其它领域对应的组成部分相仿，但需要结合快递服务的特点对该子系统涉及的新材料技术、电池技术、遥感技术、GPS、GIS、通信技术等高科技含量技术进行优化，以期实现和提升无人机快递服务系统的关键服务能力。

在快递服务系统中搭建第三方(民航监管部门)管理平台的目的则是实现中国民用航空局等民航监管部门对无人机快递的监督和管理。

2 无人机快递服务系统的功能剖析

2.1 快递保障子系统

在快递保障系统中，常规的物流信息系统自然是必不可少的，例如巴枪系统，其是利用通信运营商成熟的网络平台，以手机或PDA终端作为数据存储的载体，连接条码扫描枪，形成的一套数据采集传输系统。在“最后一公里”配送模式下，快递员在无人机配送收发站降落后，将快件从机舱内取出，用巴枪扫描确认航班到达，无人机即可自动返航或由快递员放入新快件完成下一项递送任务。而除了常规的物流信息系统外，在无人机快递保障系统的地面部分还需建设无人机动力快速补充站、无人机快递配送收发站或专用智能快递柜。建设无人机动力快速补充站是在无人机快递飞行器各项指标参数没有得到提升和成本制约下，提高无人机续航能力的有效手段。而无人机快递配送收发站和专用智能快递柜是互相替代的关系，分别对应“最后一公里”和“最后100米”两种快递末端模式。

(1)无人机动力快速补充站。油动无人机已实现通过“空中加油”来完成动力补充。而民用无人机，尤其是快递无人机，多以电动为主。快递无人机飞行器总重量和蓄电池容量是影响其续航能力的主要因素[3]。目前，已推出无人机快递计划的快递企业研发的快递无人机的承重多为500g—10kg不等，续航时间一般不超过1个小时。例如，亚马逊所设计采用的8轴无人机最大可承重2kg(86%的网购商品重量在这个数值以下)，运送范围在亚马逊物流配送中心16km范围内。而德国快递业巨头DHL所设计的Paketkopter4轴无人机承重为1.2kg，飞行时间最长约为45分钟。这些指标对于无人机快递的主要应用领域同城小件配送而言，已经足以满足需求。但对于高达几十公里到上百公里甚至更远的运输距离，在无人机快递飞行器各项指标参数没有得到提升和成本制约下，建设远距离航线中途的无人机动力快速补充站无疑是最直接有效的手段。在选址上，应尽可能利用企业已建成的物流节点，让物流节点实现多元化功能，避免重复建设成本。在无人机快递补充站内，利用快速充电技术，通过专用充电桩给无人机电池充电，可以采用无人自动或是人工干预两种模式。随着快速充电技术的不断完善，充电时间将不断缩短。而随着无线充电技术的慢慢成熟，其与快速充电技术的结合产品更会给无人机动力补充带来划时代的变革。当然，对于加急的快递特殊件，直接给无人机更换电池，则将动力补充时间的决定因素由充电时间转换为电池更换时间。

(2)无人机快递配送收发站。快递企业当然可自建专用的无人机快递配送收发站，对于人烟稀少的山区或是小岛，哪怕是城郊，相应的成本都是可以接受的。无人机降落在快递配送收发站(一般收发站要有一定面积的空地)，快递员从降落的无人机机舱中取出快递包裹，进行“最后一公里”的快递配送。但是，市区寸土寸金的用地成本将让快递企业对自建无人机快递配送收发站望而却步，因此应寻求与相关部门的合作，例如与物业公司合作，由物业指定经过相关培训的工作人员，在指定的地点待无人机降落后进行取件，随后进行“最后100米”的投递。对于市区办公楼，收发站可以设在办公楼顶楼空地；对于住宅小区，收发站可以设为专用的小区园区服务站。一般而言，物业公司没有代收快递的义务，这就更加需要通过签订相关协议，界定好各方的责任，对各服务方给予合理的利益分配，才能理顺“发货方(大多是电商)、快递企业、物业公司、收货人”这一服务链的各方关系。

(3)无人机专用智能快递柜。智能快递柜被认为是解决包裹“最后100米”的一种较为经济有效的方式。快递员只要将包裹暂时保存在投递箱内，并将投递信息通过短信等方式发送给用户，提供24小时自助取件服务。2015年11月，国务院办公厅印发的《关于加快发展生活性服务业促进消费结构升级的指导意见》强调了要积极发展冷链物流、仓储配送一体化等物流服务新模式，推广使用智能包裹柜、智能快件箱。在无人工干预下，无人机自动降落并投放快递包裹于智能快递柜，这需要一种无人机专用的智能快递柜。在技术上，研发无人机专用快递柜并不是什么难题，这无疑能提高末端配送效率和节约人力时间成本，但同时也带来了与无人机专用智能快递柜相关的购置成本、运营成本以及维护成本。如何在上述的物流快递系统效益背反现象中寻求降低成本和提高客户满意度的平衡，快递企业、无人机供应商和智能快递柜供应商不但要在研发技术上降低软硬件成本，还需要寻求多元化的盈利模式，例如，可以考虑在提供服务的基础上形成寄件佣金、软硬件服务以及快递柜显示广告的营收模式。

2.2 飞行控制子系统

无人机快递服务系统中的飞行控制子系统主要由机载部分和地面部分组成。机载部分主要由计算机控制与导航系统、飞行数据记录仪、动力推进系统、高精度差分GPS、气象传感器、小型雷达探测障碍系统、数字加密通信系统机上部分和起降系统机上部分组成，主要功能是控制快递无人机严格按预先设定地址和线路飞行，控制航速和航高、规避航路障碍和恶劣气象风险以及精准控制无人机快递起降；地面部分主要由远程调度系统、数字加密通信系统地面部分以及起降系统地面部分组成，主要功能是负责快递调度控制和实时通信服务。飞行控制系统能够稳定无人机飞行姿态，能够控制无人机自主或半自主飞行，并能在飞行过程中智能规避危险，是无人机的大脑。

2.3 “第三方(民航监管部门)管理平台”子系统

无人机使用的监管目前在国内有三种形式：一是无人机通用技术标准，目前已有中国(深圳)无人机产业联盟发布的《民用无人机系统通用技术标准》；二是无人机飞行的空域管理，可参照中国民用航空局颁布的《民用无人机空中交通管理规定》、《低空域使用管理规定》等；三是无人机飞行操作管理，可参照中国民用航空局颁布的《民用无人机驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》。

然而无人机应用在快递服务中还存在着难以有效监管的几个主要问题：首先，快递服务无人机飞行有关参数还无法做到有效监控，如飞行范围、飞行高度、飞行速度、搭载限制等，这些作业规程的具体要求目前还没有体现在无人机快递服务系统中。其次，飞行空域审批时效较长，往往需要一两周以上时间，对于物流行业来说，这个周期显然太长，无法满足快递企业的快速运转需求；最后，无人机技术专业性较高，而快递服务人员流动性较大，造成快递企业对无人机操控人员的培训动力不足，流于形式。

针对上述无人机快递监管存在的问题，必须在监管部门和快递企业之间搭起一座桥梁，即无人机快递服务系统中的另一个子系统——第三方(民航监管部门)管理平台，由相关的软硬件设备组成，该系统设计实现如下监管功能：首先，该平台严格按照民航总局颁布的有关规定来限定无人机快递服务系统中的各参数，如飞行的高度、飞行路线、货物载重、飞行速度等，并能及时监控到各种违规行为做出相应处罚。其次，监管部门可以要求运营服务中的快递服务无人机必须进行标准化编码(实现一机一码)和飞行许可定期认证，而所属快递企业更要进行实名认证，而对于上述认证申请和无人机快递飞行空域申请，可以采取网络在线和现场相结合的申请方式，避免无效申请，所有申请都通过第三方管理平台完成，节约了申请和审批时间，简化了手续流程；最后，监管部门可要求快递企业把无人机操作规范和航空安全知识纳入到快递无人机操控培训中，强制无人机操控人员定期参加培训，并通过考核取得资格证书来规范行业安全有序发展，操控人员的实名认证信息和资格证书信息都要录入第三方管理平台。第三方(民航监管部门)管理平台的开发和有效运行需要监管部门和快递企业的协同运作，而平台的优化和发展也有赖于民航监管部门加快制定和完善无人机分类标准，包括技术制造标准、环境保护标准、安全等级标准等行业标准，健全无人机监管体系。

3 基于提升无人机快递服务系统关键服务能力的技术优化

为了提高无人机快递服务系统关键服务能力，尤其是是续航能力、安全性和智能化水平，须在无人机快递服务运营成本控制下，优化无人机快递服务系统中的相关技术或通过管理创新弥补技术的不足。

3.1 优化对策

3.1.1 聚焦无人机供应链改进续航能力

就纯技术而言，无人机的续航能力在工程界已有各种较好的解决方案。只是当前快递无人机在工程预算和安全性的制约下，大多为多旋翼电动无人机且采用锂电池，而锂电池能量密度提升存在的技术瓶颈、飞行器体积的限制(影响无人机自重和安全性)等因素限制了快递无人机的续航能力。常见快递无人机续航时间一般不超过一个小时，最远投递距离一般也不超过20公里。而对于更远的投递距离，快递无人机续航能力不足的问题就突显出来。

提高快递无人机的续航能力有赖于无人机供应链上各方的努力。快递企业一方，可建设远距离航线中途的无人机动力快速补充站给无人机补充动力后继续航行，在站内通过专用充电桩给无人机电池充电，对于某些特殊情况，还可直接给无人机更换电池；同时快递企业还要用需求拉动无人机供应商研发和生产出各项参数尤其是电池的性能参数更尽如人意的快递无人机。无人机供应商一方，可改进机体结构设计并采用轻质高强度复合材料减轻快递无人机自重；同时，也要致力于积极推进无人机供应链上游电池厂商的技术改进，紧跟世界能源和电池高科技的步伐。而伴随着电池技术和新材料技术突飞猛进的发展，快递无人机供应链各方既是推动者，更是受惠者。

3.1.2 卫星信号失锁和通信信号干扰及其对策

由于快递服务中的无人机飞行路线有可能靠近城市中的高楼、山区的峡谷和电磁感应较大的高压电线，这就可能会使GPS的卫星信号失锁，从而严重影响无人机定位的连续性。如果长时间无人机上的导航设备无法重新定位，就可能导致运行中的无人机坠毁。除了卫星信号失锁，通信信号干扰也是一个不可忽视的问题。

针对卫星信号可能失锁问题，在预算许可下，无人机供应商可在快递无人机上加装惯性导航系统有效解决较短时间内GPS信号失锁问题。惯性导航系统(INS)是一种不依赖外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，其短期精度和稳定性好，但长期精度却不如GPS[4]。 因此，GPS和INS两者的有效组合可以优势互补，解决短期失锁问题和提高瞬间位置精度。

针对通信信号干扰问题，无人机工程师还可在飞行控制系统中设计两种以上的通信方式，其中一种可以作为专用通信网发生故障时的应急网络。而快递企业则可通过与国内通信运营商合作，有偿使用其信号发射塔，使地面通信系统能够远程传播持续稳定的信号，这样，快递无人机在相合作的通信运营商的信号网络覆盖区内就不再有通信盲区，甚至有较强的信号，不易受其它信号干扰。

3.1.3 防水、防强气流等能力不高及对策

快递无人机的飞行需要螺旋桨高速旋转，而当前市面上的螺旋桨和转轴都是裸露在外面的，如果遇到雨水，雨水就可能经过转轴流到电机，产生电路短路而烧毁；而城市中高楼和山区有时会产生瞬间高级别的对流强风，可能使快递无人机的瞬时姿态失去控制。

针对目前快递无人机防水能力不高问题，无人机工程师在设计时可使用轻质硅胶材料对无人机的上表面密封包裹。而对于瞬间强气流引起的无人机机体姿态较严重倾斜，无人机供应商可通过配备的惯性导航系统，即时得到无人机平台姿态的三个角度数值，通过飞行控制系统进行姿态自我纠偏。除了技术上的改进，快递企业和无人机供应商在设计航线时，可通过本地区的气象部门进行专业评估，从多条备选航线中择优选取以尽可能避免气象干扰。对于优选出来的航线，在正式启用后，快递企业还要向本地区气象部门定制航线上日常飞行的气象预报，以有效选择航线或在恶劣天气下停止航飞。

3.1.4 提升现有定位精度对策

民用小型无人机的GPS定位是码定位，理论精度为2.9米，实际情况受周边的实时气流影响，在降落位置上与预先控制降落点距离差可能达到5米以上，这样的定位精度对于快递配送收发站的末端配送模式是足够的，因为无人机是降落在快递配送收发站的降落场地上来由快递员人工把包裹取下来的。而对于无人机自动投递专用智能快递柜的末端配送模式，这样的精度却无法满足要求。

为了提高快递无人机位置精度，无人机供应商要积极引入高精度的动态定位技术，如加装实时动态载波相位差分GPS(RTK)设备，定位精度基本实现亚米级，可以有效实现投放的精准位置[5]。同时，快递企业对于专用智能快递柜供应商也要提出相应参数的要求，例如在专用智能快递柜安装感应器，该感应器能够在10米之内与无人机相互感应，引导快递无人机自动投递包裹于专用智能快递柜。

3.1.5 电子导航系统数据更新滞后及其对策

无人机飞行要靠电子导航系统才能工作，但电子导航系统的数据无法实现实时、全面更新。例如刚搭起的电线和电塔、新移植的树木、新建的楼房，这些短期变化在电子导航系统中不一定会马上更新显示。由于快递无人机常用飞行高度从几十米到几百米不等，在飞行过程中，尤其是在全自动化的起飞或降落时，上述未更新的电子导航系统规划的飞行路线会引发无法控制的风险。

为了应对电子导航系统可能存在的数据更新滞后，快递企业可利用无人机的航拍功能，定期对快递无人机航线进行检查，及时发现航线上可能对飞行安全产生影响的新变化并对航线或飞行高度做出调整。对于飞行过程的意外坠落，快递企业可以调出无人机上配备的飞行数据记录仪，俗称飞机“黑匣子”， 查看飞行日志，检查电路板是否存在异常情况，如果问题确实出在飞行器本身或是航线规划不当，须向客户赔付货物在内的全部损失，而飞行日志也同时成为保险理赔的有效依据。

3.2 技术优化对无人机快递运营成本影响分析

据金融研究公司ARK Invest的研究显示，亚马逊无人机送快递每件成本约1美元，只相当于当前其当日达快递服务7.99美元的一个零头。而国内快递巨头顺丰的当日达，只承诺非高峰期上午10点前快件到达快递员手中的情况下当晚8点前可以送达，2kg货物的费用为14元。快递无人机运营成本主要包含无人机飞行器采购成本、保险费、充电电费、运行维护费和地面人力支持成本等五部分(详见表1)。表1对载重量平均2kg、航程10km的快递无人机按每天平均运营60次计算其平均单次运营成本，根据采购无人机飞行器成本1万元、2万元和4万元这三个级别，按第三者责任险保额20万元和机身全保进行计算对应保费分别约为5000元、7000元和9000元，并设定每天设备维护费按采购成本的4‰计算，经过摊销每单无人机快递运营成本分别为6.42元、7.41元、9.29元，都低于国内外当日达业务的成本。其中人力支持成本占总成本比例分别为77.8%、67.5%、53.8%，而飞行器采购成本、保费和维护成本合计占比为17.5%、28.5%、43%。

表1 无人机运营成本分析(表中以平均值计算)

由此可见，对无人机快递服务系统尤其是飞行控制子系统的技术优化，快递企业可以通过对无人机适当配置必要的先进设备和新材料，例如在无人机上使用轻质高强度复合机身材料，配备高性能电池、惯性导航系统、实时动态载波相位差分GPS(RTK)和“黑匣子”等设备，这些能够提高无人机快递服务系统的飞行续航能力、飞行安全性和智能化程度，尽管这些配置也提高了无人机的采购成本、保费和维护成本，然而即使由此所带来的成本成倍提高，对单件摊销成本影响有限(如表1所示)，对运营成本影响不大。控制运营成本需要抓住的是降低人力支持成本这个主要矛盾，即将无人机快递服务系统中人机协作的人尽可能释放出来，这也是无人机快递服务系统发展的长远目标。

4 结语及进一步研究方向

无人机快递服务系统的构建需要三大子系统——快递保障系统、飞行控制系统和第三方(民航监管部门)管理平台互融协同发展。本文利用系统论、根据三大子系统在实践中开发和应用程度的不同，对三大子系统进行研究并各有侧重点。本文研究分析的“在构建快递保障系统的体系中建设无人机动力快速补充站、无人机快递配送收发站或无人机专用智能快递柜并实现相应的功能”，以及本文提出的“搭建第三方(民航监管部门)管理平台对无人机快递进行监管”，在实证研究上几乎还是空白，上述的探索性研究指明了无人机快递服务领域的进一步的研究方向：第一，构建快递保障系统体系中建设的各软硬件设施设备对物流企业的成本影响；第二，快递企业如何与民航监管部门合作开发并协同运作第三方管理平台。

[1] 李德仁,李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报(信息科学版)，2014(5)：505-508.

[2] 刘树锋,陈欣,刘标.小型化无人机实时飞行仿真系统结构设计[J].兵工自动化,2014(6)：27-31.

[3] Hua Min Zhang,Li Li.A Flight Evaluating System Using Flight Gear[J].Applied Mechanics and Materials,2013,2560(347):891-894.

[4] 李铭.无人机在海外市场中新建通信基站无线设计勘察中的运用探讨[J].信息通信，2016(2)：229-230.

[5] 林鹰.无人机进军空中快递业[J].交通与运输，2014(1):41-42.

责任编辑：张晓辉

Research on the Construction and Technology Optimization of UAV Express Service System

WANG Yan

(Department of Economics and Trade， Fujian Commercial College, Fuzhou 350012, China)

The building of UAV express service system can promote the scale applications of UAV in the express service industry. This study considers that the building of UAV express service system can be implemented through the construction of the express safeguard system, flight control system and management platform of the third-party civil aviation regulatory authorities.This paper analyzes the functions of these subsystems. From the endurance ability, loss of lock and communication interferences of satellite signals, poor resistance against water and strong turbulence, positioning accuracy, lag of data updating in electronic navigation system and other aspects，measures to improve the related technologies of UAV express services system are put forward so as to enhance express service capacity, and the impact of technology optimization on UAV express operating costs is explored.

UAV for express; UAV express services; express safeguard system; supervision; technology optimization

2016-04-06

福建省中青年教师教育科研项目(JAS160664)

王琰(1981-)，女，福建福州人，讲师，硕士，主要从事物流管理研究。

C931

A

1009-3907(2016)12-0081-05